論銑車復合加工的微小結構件工藝線路研究

遲堯林

CHI Yao-lin

（山東科技職業學院，濰坊 261053）

0 引言

對于微型的機械結構或者機電系統，其整體尺寸多數保持在厘米級別。因此需要采用微小結構件裝配組合。如今，小型系統發展與應用快速推進，加大了微小結構件需求，產品量、材料種類的多樣性也在持續增加，其中更是提出了復雜、異形和高強度的加工要求，對于起源于半導體集成電路加工工藝的制作技術，在這些要求面前，顯得力不從心。而微細切削技術，則延續了傳統的加工工藝，具備更好的工藝和成本優勢。

在加工微小型結構件時，大多數采取了數控機床實施操作。由于其尺寸要求與常規零部件相比更加微小，如果不對常規工藝進行改良，甚至無法保證部件的尺寸要求。在這種形勢下，就需要進一步研究微小型的結構件加工工藝，探析其工藝特征并進行分析與總結，然后根據這些要求來選用刀具與機床。

1 微小結構件的工藝特征分析

對于微小型的結構件而言，它的整體尺度都十分小，普遍都屬于毫米級別；其次，許多微小結構件的自身結構也較為復雜，經常在局部存在異形。一般情況下，都要按照對加工工藝提出的要求特征進行分類，大體上可以分為軸類零件、三維結構件、齒輪以及板類。事實上，不同分類都具有自己獨特工藝特征以及獨自的加工方式。

對于三維結構件，它通常需要作為微小產品的基礎，在其上進行其他微小零件的安裝，因此它的結構更為復雜，加工難度大。具備較大的深寬比，有多種臺階、薄壁和微孔，對于位置精度要求也極高。所以當加工中需要用刀微小型的數控機床，同時最好使用完整的加工工藝。典型的三維結構件如圖1所示。

圖1 三維微小型的結構件

對于軸類零件，在車削加工時，由于徑向力的作用，常常產生變形和翹尾，難以滿足產品需求。對此，采用由車削和銑削主軸共同作用的微細車銑加工可以解決這個問題。這種加工方式由于采用了多刃切削，其徑向力更小，可以加工更長的微細軸。圖2中，將車削與車銑加工所得的產品進行了比對，可以明顯看出，車削加工的產品產生了翹尾。

微小齒輪和板類構件相對而言較為簡單，其中板類構件以平面為主，可能具備臺階面和微孔等細節，通常鉆削和銑削足以滿足其加工要求；而對于齒輪部件，直接關系到裝配和咬合的齒形部分，是加工的重點和難點。在這里，銑削由于震動和夾裝方式的問題，容易導致齒形失真；而滾削方式則在這方面具有更好的適應性。如圖3所示，就是通過兩種不同加工方法得出實物圖，進行對比展示。

圖2 車削和車銑細長軸之間的對比

圖3 微小齒輪

1.1 加工設備

基于以上多種部件加工的要求，采用了微小型車銑復合加工中心。它同時具備了車銑復合加工，以及鉆、磨、車、銑的加工能力，足以滿足諸多小型零結構件的加工要求，可以實現大多數微小結構件的完整加工。需要加工中心具備安裝車刀刀座的空間，這樣在使用時，刀具和主軸可以通過進行合理的配置，節省對刀和換刀的輔助時間。

加工微小結構件的機床，一般自身的尺寸也較小，整體要求剛性好，工作平穩且加工精度高。在較大負荷和高轉速下，也能滿足高可靠性的要求；同時，要求操作系統響應快，給進機構精確度足夠高，可以精確控制加工過程。

在本文中，以哈工大所研制的三軸微小型立式銑床為例進行說明。該加工中心的主軸轉速可達到160000rpm，驅動系統重定位精度達到0.25微米，采用全閉環控制，如圖4所示。

圖4 哈工大立式銑床和附屬設備

1.2 加工刀具及工藝參數

對于刀具的材料，不能隨意選擇，需要依照加工工件自身的材料來選擇，才具有實現加工的效果。一般情況下，在進行微小型結構件加工之時，比較常用道具材料有金剛石、硬質合金、陶瓷刀、高速工具鋼等等。刀具的尺寸也需要根據實際情況進行合理的選擇，需要考慮到裝夾方便和加工的要求；安裝的時候，一定要滿足于精工能力，這是前提條件，然后要盡可能的縮減沒有必要的懸伸量。

以材料牌號標注為KW10的硬質合金刀為例，該材料相當于國產牌號中的YG6。刀尖的圓弧半徑根據零件精度和結構的要求，可以選擇0.03mm、0.1mm和0.2mm的刀具。對應的技術參數和結構示意圖如圖5所示。

圖5 KW10硬質合金車刀結構和參數

根據刀具和加工材料，可以計算得到最佳的參數。該合金車刀的切削速度范圍在100～200m/min，背吃刀量在0.05～0.5mm，進給速度的取值范圍可在 0.02～0.2mm/rev。

微細鉆頭和銑刀可以選擇W18Cr4V的整體高速鋼刀具，根據實際條件從0.1～1.0mm直徑的刀具中作出適當的取舍。

在微細切削中，經過切斷刀的加工，直接獲得微細槽；而在小型零件切斷后，也將直接作為加工的表面。所以，切斷刀的精度要求極高。

2 微小結構的加工

圖6展示了一個取自鐘表機構的微小結構件。可以看出，這個結構件具備明顯的三維特征和復雜外形，存在多個臺階面方便裝配其他的微小零部件。該結構件上存在若干不同直徑的孔，這些孔之間的相對位置要求可以達到極高的精度。為了與其他部件的銜接，需要在孔內加工出螺紋。

對于微小型結構件，其加工工藝的基本要求是提高加工精度。為此，需要保證盡量少的刀具種類，盡量減少裝夾的次數，通過合理安排工序，優化刀具的運動路徑等方式來避免和減少機床驅動部分的誤差累積。主要的加工工序分為備料、車料、銑臺階、鉆孔、檢驗、銑外形、檢驗和理化，各工序均有一定的工藝要求，如表1所示。

圖6 鐘表的微小結構件

表1 加工工藝表

圖7 加工所得的成品

圖7展示了依照上述過程加工完成后得到的成品。從上述路線可以看出，這個微小型結構件可以作為一個典型，充分利用了加工中心的各種加工功能，經過了一次裝夾之后，就能夠做完絕大部分加工的工序，進而來實現整個加工，就能夠節省出大量輔助時間，才能夠提高加工效率與精度。在實際運作中，可以根據零件的不同，通過更換刀具能夠快速實現工藝路線的調整和改變，完成小量多品種的加工工作。

3 微小結構件切削加工的工藝應用

當下，微型化和精密化的復雜結構零件廣泛應用，這些產品都需要通過微細加工的方法來完成，而其中最經濟和最實用的加工方法則是微細切削加工。這種方法主要運用在金屬零件的加工過程中。

3.1 微小結構件切削加工實驗設備及刀具

如前文提到的，微小結構件的加工設備依然沿用了哈工大所研制的三軸微小型立式銑床。為了保證工作的精度，在同一臺機床上，平行和垂直于車削主軸方向都配置了銑削和鉆削主軸。

3.2 微小結構件的加工工藝特點

微小型結構件，其加工過程特點是工序高度集約化。為了保證精度，減少累計誤差，完整加工是必然的選擇。對于同一個零件，其加工工序盡量在同一臺機床上使用盡量少的次數完成。通過減少重定位和重裝夾，不僅減少了工序轉換所占用的輔助時間，更減少了中間輔助環節，縮短了生產鏈，極大地提高了生產效率；也降低了設備和工作場地的需求，提升設備的利用率，從而減少成本。最重要的是，采用這種方法，對于加工質量也是一種保障。

3.2.1 微小結構件的結構特征

精密微細切削，這種工藝主要應用于細微結構的零部件，高精度是最基礎的要求。因此，需要對所加工零件的結構和材質進行相應的了解。與大尺寸零件相比，微小結構件在材質和應用等方面都有自己的特點。

1）微小結構件的材質一般強度和硬度更高，機械性能更好。主要由金屬、合金等材料組成，具有一定的耐腐蝕或耐磨等能力，在惡劣的條件下亦能正常工作。

2）結構上，三維立體結構是主要的結構特征，長徑比或者深寬比明顯大于大尺寸部件。

3）廣泛應用于微小型機構和系統，需求量極大，批量高效生產極有必要。因此，在加工精度要求之下，還有批量化的問題。

4）尺寸極小。微小型結構件的整體尺寸在毫米或者厘米級，最細微的部分甚至要求有微米級。且這些零件，使用常規方法難以加工。

5）空間和結構要求高。各部件之間常常存在互相作用的關系。因此對位置和形狀的精度要求極高。但是，表面的粗糙度要求不一定高。

表2展示了微小結構件的特征指標。

表2 微小結構件的特征

3.2.2 微小結構件的微細切削工藝要求

相對常規的工藝設計，微小結構件在工藝上還要求考慮到諸多問題。

1）控制加工余量。在普通機床上進行預切割，減小加工余量。

2）合理選擇刀具和加工方法。經過了科學合理選擇之后，才能夠實現最好的效果。

3）集中使用刀具。工作臺上的空間有限，能夠同時安裝的刀座有限。但是同時，結構件的加工過程中又涉及到多種刀具。因此，需要更好地規劃加工路線，遵循刀具集中應用的原則減少刀具的使用數量。

4）根據具體的零件確定走刀路線。不同的結構件，都有各自的特點，不能一概而論。不合理的走刀路線，不僅難以保障加工的精度，更可能引發加工狀態的突變。

5）保證加工精度。在開始加工之前，應當通過工藝試驗得到工序中的工藝參數，從而保證工藝能力。

3.3 微小結構件的加工

工件材料、工藝參數和加工方式（裝夾、定位等），都會對微小結構件的加工質量產生影響。具體而言，對于較大的零件坯料，容易產生加工系統穩定性降低的問題；而對于較小的結構件，本身將會導致安裝剛性不足的問題。同時，不合理的切削速度會影響表面質量。工件材質中的雜質，進給量和切削厚度過小都會引發振動，減少刀具壽命且影響生產質量。

4 結論

總而言之，對于微小型結構件進行加工，和常規尺寸的部件無論是在工藝特征、加工工藝、定位以及刀具和機床選用等各個方面都有其不同之處，因此這就需要依據各自的工藝特征選擇相對應機床以及裝夾方式。在實際的加工過程中，由于工件小，且受到機床空間的局限，加工方式也會有一定的限制。對于小尺寸結構件，加工時可能存在安裝剛性不足的弱點，會影響加工的質量和精度。不同的加工工藝參數，和工件材料的性能都會對加工質量產生較大影響。總體而言，選用車銑加工中心，可以提高加工的精度和效率。通過調整加工工藝和走刀路線，對于加工的結果也會產生影響。

[1]袁哲俊, 王先逵. 精密與超精密加工技術[M]. 北京: 機械工業出版社, 1999, 10.

[2]孫雅洲. 微小型機床及微細銑削加工技術研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業大學, 2005.

[3]賈寶閑, 王振龍, 趙萬生. 微細切削加工和微機械制造[J].機械制造, 2003, 41(468): 7～9.

[4]楊江河, 程繼學. 精密加工實用技術[M]. 北京: 機械工業出版社, 2005, 5.

[5]劉志兵, 王西彬, 解麗靜, 等. 微小型結構件的微細切削技術[J]. 工具技術, 2008, 42: 19-23.

[6]石文天. 微細切削的基礎理論和工藝方法研究[D]. 北京:北京理工大學, 2009.

[7]石文天, 劉玉德, 王西彬, 等. 微細銑削表面粗糙度預測與試驗[J]. 農業機械學報, 2010, 41(1): 211-215.

[8]朱學超, 張道德. 微型發動機氣缸車銑復合加工工藝研究[J]. 機械制造與自動化, 2011, (02) .

[9]高升. 復雜薄壁零件在車銑復合加工中的工藝分析[J].職業, 2011, (05) .

[10]李賀. GibbsCAM軟件編程在車銑復合加工中的應用[J].制造技術與機床, 2011, (04).

[11]顏克輝, 孔祥志, 羅志久, 李鵬. 車銑復合加工中心的Y軸實現形式及加工對象[J]. 制造技術與機床, 2011, (03).

[12]陳藝邦. GibbsCAM軟件中葉片的車銑復合加工[J]. 制造技術與機床, 2011, (02).

[13]張志軍, 李瑞. 大型曲軸車銑機床伺服進給系統設計研究[J]. 制造技術與機床, 2011, (01).

[14]蘇宇鋒, 袁文信, 劉德平, 汪玉平. 高速車銑復合加工中心床鞍的熱態特性分析[J]. 組合機床與自動化加工技術, 2011, (04).

[15]馬超, 馬雅麗, 趙宏安, 王德倫. VHT800立式車銑加工中心立柱結構靜動態優化及輕量化設計[J]. 組合機床與自動化加工技術, 2011, (03) .